大跨度悬索桥主缆状态敏感参数分析

2021-10-23周广腾

工程技术研究 2021年15期

周广腾

安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽合肥 230001

主缆是悬索桥主要承力构件，由于其柔性比较大，在静力荷载作用下桥梁将产生较大的变形。在实际施工过程中，影响悬索桥主缆线形的因素很多，如结构自重、温度等，这些因素的不确定性会对悬索桥线形产生一定的影响。为了保证成桥后的线形符合设计要求，必须对施工状态进行安全评价和风险预警，根据分析验算结果调整控制参数，预测后续施工过程的结构形状，提出后续施工过程应采取的措施和调整后的设计参数，保证施工完成的结构不论是内力还是线形都满足设计的精度要求，尽可能接近设计理想状态。

1 分析模型

该桥跨径为90.5m+440m+128.5m，主索钢丝最小抗拉强度为1570MPa，最小破断拉力为（5.22×104）kN，垂度比为1∶9，吊杆直径为25mm，间距为5m。运用大型通用有限元软件建立了全桥三维空间模型。模型中采用索单元模拟主缆及吊杆；采用空间梁单元模拟索塔及钢桁梁；采用板单元模拟桥面板。严格按照施工图的几何尺寸建模，索塔以及混凝土横梁弹性模量E=3.45×104MPa，泊松比值为0.2；主缆弹性模量E=1.95×105MPa，泊松比值为0.3，并在模型中设置为仅能承受拉力。塔柱底部为固结，鞍座和主塔采用节点耦合方式连接。

吊杆及加劲梁的架设过程采用激活和钝化结构单元的方式来进行模拟。加劲梁在架设过程中，不同的连接方式会直接影响桁架杆件中的内力实时分布与成桥最终的内力分布状态。根据架设过程中的连接方法分类，加劲梁的架设可以分为逐段铰接法、逐段刚接法和刚铰混合法三种方法。其中，逐段铰接模型对控制加劲梁内力有利，但是考虑到施工过程中的抗风稳定性及施工周期要求，该工程采用的是刚铰混合法，即在施工阶段中，各分区之间加劲梁是铰接的，不传递弯矩，分区内部加劲梁刚接，直至加劲梁全部架设完成才将加劲梁全部刚接，形成成桥状态。通过释放梁端约束模拟施工过程中的铰接状态，合拢后钝化“释放梁端约束”边界组，实现加劲梁节段间的刚接。根据实际工况，采用倒拆的方法模拟加劲梁从两桥塔向跨中对称逐段吊装的施工过程。全桥模型如图1所示。

图1 全桥模型图

2 影响参数

2.1 结构自重

在有限元分析程序中，结构自重依据结构尺寸和材料容重自动计算。但在实际工程中，结构尺寸和容重均有可能存在一定偏差，另外在现场安装过程中，往往需要大量的螺栓、拼接板等构件，造成结构实际自重略大于设计值。结构自重偏差一般在10%以下。分别计算自重增加10%和降低10%的情况，分析加劲梁自重改变对主缆线形的影响，如表1所示。

表1 加劲梁自重变化对主缆的影响

计算结果表明，加劲梁节段重量增加或减少都将引起主缆线形和应力的较大变化，加劲梁结构自重变化10%，跨中垂度变化量约200mm，同时索塔附近主缆应力将升高或降低约6%，应力的变化幅度小于结构自重的变化幅度。

2.2 主缆弹性模量

由于制作偏差、基圆面积率不同及钢绞线捻绞紧度差异等因素的影响，实际主缆受力后的变形模量存在一定的不确定性，而且通常不同程度地偏小。因此必要时应通过试验测定主缆的实际弹性模量，用于设计计算。实际工程中弹性模量偏差一般不超过5%。分别计算弹性模量增大5%和缩小5%的情况，分析弹性模量误差对主缆线形的影响，如表2所示。

表2 主缆弹性模量变化对主缆的影响

计算结果表明，主缆弹性模量变化对主缆垂度和主缆应力均会产生一定影响，在误差较小（不超过5%）的情况下，不会引起线形或应力的剧烈变化。

2.3 主缆截面面积

截面尺寸是主缆设计的一个重要参数，根据悬链线理论，主缆无应力长度的计算与其净截面面积大小有关。在实际工程中，结构尺寸在预制过程中难免出现偏差，偏差值一般不会超过5%。分别计算主缆有效截面面积增大5%和缩小5%的情况，分析主缆截面面积误差对主缆线形的影响，如表3所示。

表3 主缆截面面积变化对主缆的影响

计算结果表明，主缆截面面积变化对主缆垂度和主缆应力均会产生一定影响，且对垂度的影响比对应力的影响更为显著。

2.4 温度

由于气温变化，主缆索股架设通常无法在设计的标准温度环境下进行施工，加之悬索桥主缆长度较大，温度的变化会对主缆线形带来显著影响。在施工中，根据索股实时监测得到的温度场对主缆线形进行分析计算，确保主缆空缆架设精度满足设计要求。受到气温、日照及风环境的影响，实际温度场比较复杂，其中主缆总体升降温对主缆整体线形影响是最大的。分别计算整体升温10℃和整体降温10℃的情况，分析温度对主缆线形的影响，如表4所示。